基于光纤传感器测试变压器内部局部放电试验

陶贤亮，陈天翔，李　威，陈　刚

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.中国科学院半导体研究所，北京 100083)



基于光纤传感器测试变压器内部局部放电试验

陶贤亮1，陈天翔1，李威2，陈刚2

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.中国科学院半导体研究所，北京 100083)

采用JFD-251局部放电检测仪，建立不同电极形状的放电模型模拟变压器内部局部放电故障，测试变压器内部局部放电特征值，包括放电起始电压、尖端放电电压、熄灭电压等.在此基础上采用新式光纤传感器进行变压器内部局部放电试验.试验发现：放电脉冲间隔随着试验电压的增大而减小；光纤传感器测得的放电量与局部放电测试仪测得的放电量有着很好的正相关性.

变压器；放电试验；内部局部放电；光纤传感器

电力变压器是电力系统的重要组成部分，其能否安全稳定运行与变压器绝缘状况有着直接关系.内部局部放电是电力变压器绝缘劣化和发生事故的主要原因之一，研究变压器内部局部放电能够预示变压器内部的绝缘状态[1]，对保证电力变压器安全运行具有重要意义.高压电力变压器内部由于某些原因出现了不同程度的缺陷[2],在强电场的作用下，缺陷处可能发生局部放电，特别是绝缘内部存在气泡时，在气泡处首先发生游离，产生局部放电[3-6].目前，较常用的电力变压器局部放电检测方法主要有超声波探测法、光学检测法、绝缘油气像色谱分析法、脉冲电流测量法等[4-9].但这些方法的稳定性和可靠性有所欠缺.本文主要采用光纤传感器对电力变压器内部局部放电进行试验研究.

1　不同形状电极局部放电试验

电力变压器局部放电检测系统试验原理图如图1所示.高压电源经滤波器滤波后通过一个高压滤波阻抗变压器进入回路，被测试品电容低压端与检测阻抗输入端串联，耦合电容与被测试品电容并联，接于高压滤波阻抗变压器末端，检测阻抗接地端与耦合电容接地，检测阻抗输出端接到JFD-251局部放电检测仪.其中，局部放电检测仪的接地端必须接地.

根据放电理论与变压器局部放电的部位及类型，模拟变压器内部放电的情况.采用铜箔纸分别制作成一个直径5.4 cm的小球，直径13.5 cm的大球和一个尖端电极作为本次实验的不同电极.这3种电极所模拟的电场均匀程度不同，充分反映了不同电场强度下的放电情况.

JFD-251局部放电检测仪专门用于变压器、互感器、避雷器等电力设备的局部放电测量，具有2个通道，频率为50 Hz，检测灵敏度为0.1 pC.通过JFD-251局部放电检测仪测得不同电极形状下试验电压与放电量关系如图2所示.

通过JFD-251局部放电检测仪测量3种不同形状的电极放电情况，发现3种不同形状电极当施加电压在5 kV左右时，出现了局部放电.随着施加电压不断增加，放电脉冲间隔不断减小，放电量逐渐增加，8～9 kV之间有很大变化，之后放电量趋于稳定.通过测量放电起始电压与熄灭电压的关系，可得出局部放电熄灭电压小于起始电压，两者差值有变化，但变化不是很明显.尖端电极放电量随电压的变化比球形电极激烈，随着试验电压的升高首先是放电量和脉冲数的增加，当电压达到某一数值后转为放电量的增加，脉冲数基本保持不变.由于环境干扰以及检测设备准确度的影响，该方法结果存在一定误差，下文将在此研究基础上模拟光纤传感器测试变压器内部局部放电试验.

2　光纤传感器测试变压器内部局部放电试验

2.1可行性分析

通过查阅相关资料，得知变压器内部局部放电其频带大概为几十千赫兹，其中在频带为40～100 kHz时，变压器内部局部放电的外部干扰最小.变压器内部局部放电的程度不同，所产生的光信号频率和强度不同，本文通过模拟光纤传感器采集变压器内部局部放电产生的光信号来反映变压器内部实际局放的情况.考虑到两者产生的光信号在频率、强度等特征方面是否一致对方案可行性的影响，因此针对这一方案的可行性，2015年1月在中国科学院半导体研究所进行了第三方测试.对内置式光纤传感器测试采用了如图3所示的测试原理图.试验中采用针形放电电极.电极两端的电压是由试验变压器产生的.固定两个针形电极的间距，通过改变试验变压器的输出电压改变电极的放电强度.在试验中，改变试验变压器的输出电压值，同时记录下该电压下的局部放电测试仪的测量值和内置式光纤传感器的输出信号.

对内置式光纤传感器所得脉冲在时间上的分布进行直方图统计，并对统计结果采用以下公式拟合：

(1)

式(1)中：y为数量；x为脉冲间的时间间隔；a和b为拟合参数，b表征放电脉冲的频率变化.拟合结果如表1所示.表1中b1,b2,b3为3次同等条件下的3组测试结果，b_mean为3组测试的平均值，U为施加的测试电压，Q为局放仪检测的放电量.通过对表中数据分析可以得出，内置式光纤传感器输出信号的特征参数b与局放仪检测结果呈正相关关系.测试结果表明：内置式光纤传感器的输出信号特征参数与针形电极的放电强度呈正相关的关系，本文采用光纤传感器捕捉变压器内部局放产生的光信号与变压器实际产生的光信号在频率、强度等特征方面高度一致，光纤传感器捕捉变压器内部局放产生的光信号可以用来表示变压器实际产生的光信号的特征，因此，采用光纤传感器测试变压器内部局部放电具有可行性.

表1　拟合参数b变化与局部放电仪测量结果

采用光纤传感器测试变压器内部局部放电具有以下优点：1)改变光纤的位置或者利用多根光纤确定最佳测量位置可以提高测量的精确度；2)针对微弱的放电过程，可以通过对电路板进行改进与优化，如重新选择更加适合的A/D芯片，增大存储空间，连续采集多个周期的完整波形，将完整的数据送到PC机进行分析(统计分析、能量分析、频域分析等)和处理，从而对放电量进行标定来提高测量精确度.而传统测试方法则需要更换精度更好的测量设备提高检测精确度，增加了测量成本，实验所用的高电压会对设备和人身安全带来一定的隐患，设备接线处是否良好等因素也影响了测量结果的准确度；3)采用光纤传感器测量局部放电可以实现远距离智能化操作，提高了测量过程的安全性，在节能和安全方面较之传统方法有了很大的改善.

2.2试验仪器及过程

试验仪器包括高压放电设备，荧光光纤，传输光纤，光电倍增管，数据采集板，控制板及便携式计算机.变压器箱体顶部加以盖子，四周加螺丝固定防止盖子偏移.盖子上除了两个套管孔，还设计一个四方形的可开合关闭的口子，为了便于模拟变压器内部局部放电.在箱体底部设有一个接地端和一个阀门，作用是根据需要从阀门放入导线或光纤，模拟变压器底部的放电.

局部放电会伴随光信号产生，通过荧光光纤捕捉光信号将其转换成相应的电信号来检测局放.不同强度的局部放电，产生的光信号频率和强度均有所不同，因而得到的电信号频率和幅值也会有所不同.将荧光光纤放入高压放电设备(长1.5 m，宽、高均为1.2 m金属密闭箱体，顶部装有两个安放电极的绝缘套管)底部，沿对角方向固定.本次数据采集中箱体和其中一个套管电极接地，对其中一个套管电极施加电压，记录脉冲出现的时间间隔及幅值.调整电极伸出长度和光电倍增管的控制电压，按相同方式测得多组数据.

2.3试验结果及分析

光电倍增管控制电压为0.79 V时，测得电极伸出套管外15 cm时3种情况，即未放电、放电不明显、放电较明显，平均脉冲间隔分别为23.981 0，26.887 9，7.878 7 ms.

测试12种不同试验电压下脉冲间隔的平均值变化，绘制脉冲平均间隔随试验电压改变而变化的曲线如图4所示.由图4可以看出，随着施加电压的增大，脉冲间隔平均值总体上呈现减小趋势，尤其在20 kV以后，下降幅度更大.在20 kV之内脉冲间隔平均值有出现增大的趋势，但增大的幅度并不明显.

改变电极伸出套管的长度，重复上面的测量过程，得到脉冲平均间隔在不同电极长度、不同试验电压下的分布情况如图5所示.从图5可以看出，在试验电压增加的过程中，无论电极伸出长度为多少，脉冲平均间隔整体上呈现下降趋势.20 kV之后由于放电明显，频率有明显的变化，因此可以很容易判断出出现局部放电.在20 kV之内，观察到图5中脉冲平均间隔有略微的上升.

为了进一步了解20 kV以内的放电情况，增加了测量的次数(试验电压从5 kV起按1 kV步长增大，完成测量后调整光电倍增管控制电压为0.85 V后再测量一组数据)，得到试验电压与脉冲平均间隔的关系如图6所示.电极伸出套管长度为10 cm.从图6可以看出，从15 kV开始，随着试验电压的升高脉冲间隔平均值开始呈现下降趋势.在15 kV以内，数据差别并不明显，可能是数据的波动.考虑到初期放电时，放电程度较弱，产生的信号脉冲幅度较小仅在脉冲频率上有所增加.而目前的数据采集板采集的信号并非完整的信号波形，由于已做初步处理(设定幅度阈值，仅采集超过阈值的脉冲)，因此初期放电较小的信号脉冲未采集到，从而导致幅值和脉冲间隔均未有明显的变化.另外，由于光电倍增管是能量累积型的，试验过程中装置漏光激发荧光光纤产生的噪声也会对小幅度的信号脉冲产生一定干扰且这种影响是累积的，因而可能造成如图6所示的数据波动.

2.4局部放电检测仪与光纤传感器测量结果的相关性分析

通过局部放电检测仪与光纤传感器测量变压器内部局部放电的试验研究二者测量结果的相关性，两者测得的放电量之间的关系如图7所示.从图7可以看出，局部放电检测仪与光纤传感器测得的放电量存在很强的正相关关系.

3　结论

1)通过测试各种电极形状的放电情况，研究了其试验电压值与放电脉冲关系.随着外加试验电压的增大,放电的脉冲数会增加，当电压达到某一值后转为放电量的增加，脉冲数基本保持不变.

2)光纤传感器测得的脉冲间隔随着施加电压的增加而减小，测得的放电量与局部放电仪测得的放电量有着很强的正相关性.

3)光纤传感器测试变压器内部局部放电的优点:a)改变光纤的位置或者利用多根光纤来确定最佳测量位置可以提高测量的精确度;b)针对微弱的放电过程，为提高检测灵敏度，可以通过对电路板进行改进与优化即可，同时采用光纤传感器测量局部放电可以实现远距离智能化操作，大大提高了测量过程的安全性.在节能和安全方面有了很大的改善.对比发现光纤传感器用于变压器内部的局部放电测量有着很好的发展前景.

[1]施围，邱毓昌，张乔根.高电压工程基础[M].北京：机械工业出版社，2006：6.

[2]陈天翔,王寅仲，海世杰．电气试验[M]．北京：中国电力出版社，2005：63-72.

[3]马永翔．高电压技术[M]．北京：北京大学出版社，2008：77-82.

[4]王路军．电力变压器局部放电检测方法研究[J]．机电信息,2013(27):97-98.

[5]武中利.电力变压器故障诊断方法研究[D].北京：华北电力大学，2013：12-15.

[6]律方成，刘云鹏，李燕青.电力变压器局部放电检测与诊断方法评述[J]．华北电力大学学报，2003,30(6):1-3.[7]梁钊，杨晔闻，叶彦杰.电力变压器局部放电检测方法探讨[J]．南方电网技术，2011,5(1):85-88.

[8]王永.基于电-声综合分析的变压器局部放电模式识别研究[D].北京：华北电力大学，2010：1-11

[9]孔凡祥，孔志明.基于局部放电检测技术在变压器故障诊断中的应用[J]．中国高新技术企业，2013，245(2)：118-120.

(责任编辑李宁)

Partial Discharge Test in Transformer Using Optical Fiber Sensor

TAO Xianliang1，CHEN Tianxiang1，LI Wei2，CHEN Gang2

(1.School of Electrical Engineering & Automation，Xiamen University of Technology， Xiamen 361024，China； 2.Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China)

Using JFD-251 partial discharge detection system，a discharge of different electrode shape model was set up to simulate the partial discharge fault in transformer，to test the characteristic value of partial discharge in transforme，including the initial discharge voltage，point discharge voltage and voltage.On the basis of this，a new optical fiber sensor was used to test the partial discharge in the transformer.The study has found that the discharge pulse interval decreases with the increase of voltage，that discharges measured by partial discharge device and optical fiber sensor shows a positive correlation.

transformer;discharge test;partial discharge;optical sensors

2015-10-21

2015-12-03

福建省科技计划项目(2015H0041)；厦门市科技计划项目(3502Z20111008)

陶贤亮(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为高电压绝缘及试验技术.通讯作者：陈天翔(1966-)，男，教授，博士，研究方向为电力设备绝缘在线监测技术。E-mail：1245251621@qq.com

TM83

A

1673-4432(2016)03-0040-05